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深冷制氮与与PSA制氮机比较

日期:2016年4月27日 09:19
一、前言
      随着工业的迅速发展,氮气在化工、电子、冶金、食品、机械等领域获得了广泛的应用,我国对氮气的需求量每年以大于8%的速度增加。氮气的化学性质不活泼,在寻常的状态下表现为很大的惰性,不易与其他物质发生化学反应。因此,氮气在冶金工业、电子工业、化工工业中广泛的用来作为保护气和密封气,一般保护气的纯度要求为99.99%,有的要求99.998%以上的高纯氮。液氮是一个较方便的冷源,在食品工业、医疗事业以及畜牧业的精液贮藏等方面得到越来越普遍的应用。在化肥工业生产合成氨时,合成氨的原料气—氢、氮混合气若用纯液氮洗涤精制,可使惰性气体的含量极微小,一氧化硫和氧的含量不超过20ppm。
 
      纯净的氮气无法从自然界直接汲取,主要采用空气分离法。空气分离法中包括:深冷法、变压吸附法(PSA)、膜分离法。
 
      二、PSA制氮机的工艺流程和设备简介
 
      1、工艺流程简介
 
      空气经空气过滤器清除灰尘和机械杂质后进入空气压缩机,压缩至所需压力,经严格的除油、除水、净化处理,输出洁净的压缩空气,目的是确保吸附塔内分子筛的使用寿命。装有碳分子筛的吸附塔共有二个,一个塔工作时,另一个塔则减压脱附。洁净空气进入工作吸附塔,经过分子筛时氧、二氧化碳和水被其吸附,流至出口端的气体便是氮气及微量的氩和氧。另一塔(脱附塔)使已吸附的氧气、二氧化碳和水从分子筛微孔中脱离排至大气中。这样两塔轮流进行,完成氮氧分离,连续输出氮气,见图-2。变压(_bian4 ya1)吸附制取的氮气纯度为95%-99.9%,假如需要更高纯度的氮气需增加氮气净化设备。变压吸附制氮机输出的95%-99.9%氮气进入氮气净化设备,同时通过一流量计添加适量的氢气,在净化设备的除氧塔中氢和氮气中的微量氧进行催化反应,以除去氧然后经水冷凝器冷却,汽水分离器除水,再通过干燥器深度干燥(两个吸附干燥塔交替使用:一个吸附干燥除水,另一个加热脱附排水),得到高纯氮气,此时的氮气纯度可达99.9995%,见图-3。目前海内变压吸附制氮最大的生产能力为3000m3n/h。
 
      三、深冷制氮的工艺流程和设备简介
 
      1、深冷制氮的典型工艺流程:
 
      整个流程由空气压缩及净化、空气分离、液氮汽化组成。
 
      ⑴空气压缩及净化
 
      空气经空气过滤器清除灰尘和机械杂质后进入空气压缩机,压缩至所需压力,然后送入空气冷却器,降低空气温度。再进入空气干燥净化器,除去空气中的水份、二氧化碳、乙炔及其它碳氢化合物。
 
      ⑵空气分离:
 
      净化后的空气进入空分塔中的主换热器,被返流气体(产品氮气、废气)冷却至饱和温度,送入精馏塔底部,在塔顶部得到氮气,液空经节流后送入冷凝蒸发器蒸发,同时冷凝由精馏塔送来的部分氮气,冷凝后的液氮一部分作为精馏塔的回流液,另一部分作为液氮产品出空分塔。
 
      由冷凝蒸发器出来的废气经主换热器复热到约130K进膨胀机膨胀制冷为空分塔提供冷量,膨胀后的气体一部分作为分子筛的再生和吹冷用,然后经消音器排入大气。
 
      ⑶液氮汽化
 
      由空分塔出来的液氮进液氮贮槽贮存,当空分设备检修时,贮槽内的液氮进入汽化器被加热后,送入产品氮气管道。
 
      深冷制氮可制取纯度≧99.999%的氮气。
 
      四、深冷制氮与变压吸附制氮的技术经济比较
 
      1、流程比较
 
      从以上的论述中我们可以发现:变压吸附制氮流程简朴,设备数量少,主要设备仅有空压机、空气干燥器、吸附制氮机和储气罐等。而深冷制氮流程复杂,设备数量多,主要设备有空压机、空冷器、空气净化干燥器、换热器、膨胀机和精流塔等。
 
      制氮机
 
      2、产品种类和纯度比较
 
      深冷制氮不仅可以生产氮气而且可以生产液氮,满意需要液氮的工艺要求,并且可在液氮贮槽内贮存,当出现氮气间断负荷或空分设备小修时,贮槽内的液氮进入汽化器被加热后,送入产品氮气管道满意工艺装置对氮气的需求。深冷制氮的运转周期(指两次大加温之间的间隔期)一般为1年以上,因此,深冷制氮一般不考虑备用。而变压吸附制氮只能生产氮气,无备用手段,单套设备不能保证连续长周期运行。
 
      深冷制氮可制取纯度≧99.999%的氮气。氮气纯度受到氮气负荷、塔板数量、塔板效率和液空中氧纯度等的限制,调节范围很小。因此,对于一套深冷制氮设备其产品纯度基本是一定的,不便调节。变压吸附制氮制取的氮气纯度一般在95%-99.9%范围内,假如需要更高纯度的氮气需增加氮气净化设备。氮气纯度只受产品氮气负荷的影响,在其他条件不变情况下,氮气排出量越大,氮气的纯度就越低;反之则越高。因此,对于一套变压吸附制氮设备只要负荷答应其产品纯度可以在90-99.9%之间任意调节。
 
      3、运行控制比较
 
      深冷法由于是在极低温度下进行的,设备在投入正常运行之前,必须有一个预冷启动过程,启动时间即从膨胀机启动至氮气纯度达到要求的时间一般不小于12h;设备在进入大修之前,必须有一段加温解冻的时间,一般为24h。因此,深冷法制氮设备不宜常常起、停,宜长时间连续运行。变压吸附法启动时,只要按一下按钮,启动30分钟内便可以获得合格的氮气产品,假如需要高纯的氮气,那么经过氮气净化装置,大约再用30分钟便可获得99.99%-99.9999%的高纯氮气。停机时也只需按一下按钮便可。因此,变压吸附制氮特殊适用于间断运行的情况。
 
      现在深冷法制氮一般均采用先进的DCS(或PLC)计算机控制技术,实现中控、机旁、就地一体化的控制,可有效的监控整套设备的生产过程。变压吸附制氮采用智能化全自动控制,按钮即可进行氮气生产,无需专人治理。
 
      五、结论
 
      对于石油化工装置,所需氮气纯度大多为99.9%,从以上对深冷制氮和变压吸附制氮的简介及比较中,我们可以得出以下结论:
 
      a)当氮气连续负荷大于600 m3n/h,间断负荷用量不太大,可以通过液氮汽化满意要求时,应采用深冷制氮。
 
      b)当氮气连续负荷大于600 m3n/h,间断负荷用量大,液氮汽化已不能满意其用量时,可采用以深冷制氮为主,变压吸附间断供气的方式。
 
      c)当氮气连续负荷小于600 m3n/h,可采用变压吸附制氮。
 
      d)变压吸附制氮特殊适用于氮气负荷小于3000 m3n/h,氮气纯度为,并且是间断运行工况。
 
      当工艺装置需要液氮时,除非有外部供给液氮的可能,否则均应采用深冷制氮。

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